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QS30-1 Nixie Module | 辉光管显示模块【硬件篇】【精华】(一)

高工
2013-09-23 15:58:08    评分
辉光数码管|Nixie tube,上世纪60-80年代的产物,电子技术发展历史的见证之一,相信有很多朋友对其了解甚少甚至从未亲眼所见。
但就是这现如今已濒临绝迹的古老器件,却让见过她的人都无法忘记那特有的显示效果,甚至开始感叹40年前的创造竟赋有如此的艺术气息…
单单是看到管身上那淡淡的白色印戳,刹那间便让人肃然起敬——这些辉光管的出生竟然比我还早许多年…
或许这样几十年,她等待的只是一份热情,一次点燃她内心火红热情的电击……


为了让这古老的并极富艺术气息的器件发辉余热,近些年来我一直在努力寻找现代技术与古典相结合的应用。虽然也创作出不少经典作品,但随着一次次的思维枯竭,便萌发了一种把辉光管作为显示模块的想法,这样便可以把更多的精力和时间投入到创意制作当中,而不必去反复思考如何产生170V高压、如何整理逻辑驱动器、如何去焊接制作……


而且对于很多爱好者来说,无需硬件基础,只需要懂一点单片机知识,有一个最简单的单片机系统板,或Arduino系统板,4条IO口线,即可完成对几十个辉光管的显 示控制(每个模块还带有1个RGB全彩LED,两个氖灯作为冒号或小数点应用)。


首先感谢aGuegu在第一时间协助测试该辉光管显示模块,并开发了Arduino类库。


先简单的介绍一下辉光数码管,她是真空电子时代的产物,是利用辉光放电效应产生光亮来显示数字及符号的一种电子元件,诞生于上世纪60年代,到了80年代末慢慢的被其他技术所创造的新型器件所取代。
该辉光管模块采用的是中国产QS30-1型辉光数码管,它是一款较为常见的型号,直径30mm,顶部显示方式,插拔式13脚封装。先介绍一下辉光数码管的特点:


辉光数码管有四个特点:
1、较高的工作电压。辉光管的工作电压在直流170V以上,所以对于现代低电压设备时代来讲,要让他工作起来的难点在于如何产生DC170V以上的工作电压。
2、工作电流较小。工作电流较小是辉光放电效应的特征,辉光管的工作电流只有1mA-3mA左右,几乎没有什么功耗,并且不发热。
3、字形独特,显示具有层次感。辉光管中的数字或者符号都是一片片专门的金属制作并堆叠而成,独特完整的字形令现代的7段数码管、点阵显示模式都无法抗衡。
4、温暖的橘红色光芒。辉光管内部气体是氖气,辉光放电效应所产生的光芒为橘红色,尤其是在夜晚,朦胧之下给人温馨之感。

下面先看一下实物图片,然后再做详细介绍:




在DIY设计之初规划这个辉光管显示模块功能的时候,只有一个目的:让每一个喜欢辉光管的朋友,都能按照自己的想法和创意组合出满意的作品和应用,而无需关心辉光管本身复杂的电源系统和驱动模块。
所以每一个模块应该都能独立工作,并且采用最简单的方式进行级联和组合。模块要小巧,组合起来之后要能感觉为一个整体。最重要的是要提供一个简单的驱动接口,而不是每增加一个模块都要增加应用的负担。


QS30-1辉光管显示模块有以下特点:
1、采用中国产QS30-1辉光数码管作为显示器件(管身直径30mm,高25mm,显示内容为数字0-9,显示颜色橘红色),其他PINtoPIN代换型号:SZ-8,SZ3-1。
2、采用顶级13针陶瓷管座,非胶木管座可比,美观大方,插拔方便可靠。
3、插拔式无限级联设计,无需复杂的接线方式。
4、板载RGB全彩LED,每个模块可独立控制LED发光颜色。
5、板载两个Neon Lamps,可独立控制每个氖灯,实现冒号或者小数点的应用。
6、提供非常简单的通讯接口,仅需要4个IO,可连接任意一款单片机最小系统版或Arduino主板。
7、12V直流供电,每个模块的工作电流小于100mA。
8、提供DC5V输出,可为单片机主板或Arduino主板直接供电,无需另配电源。
9、双层双面镀金电路板,尽显艺术气息。
10、采用激光切割进口亚克力材料制作上下面板,搭配不锈钢内六角螺丝,保护人体不会接触到170V高压。
11、内置测试按钮,在没有任何主控驱动的情况下,可单独测试模块和辉光管是否工作正常。
为了达到以上功能和特点,从原理图设计到PCB电路板设计、以及3D模型建立,都进行了一次次调整,最终出炉的QS30-1辉光管显示模块即是完美之作。





从电路设计上来讲,该模块由以下部分组成:
一、高效率DC-DC升压模块
辉光管工作电压需要直流170V,而供电电压为安全的直流12V,所以必不可少的要具备12V-170V的DC-DC升压电路模块。
该模块由MC34063A及外围元器件组成,能够提供高效率的升压转换,并且整个模块几乎没有发热现象。
二、LDO DC5V电源模块
该模块的其他逻辑芯片和LED需要5V的工作电压,并且该模块还能够直接输出DC5V给单片机系统板或Arduino系统版供电,所以必不可少要具备LDO降压电源模块,输出为直流5V。
该模块有78M05及外围器件组成。
三、辉光管级联驱动模块
由于该模块采用了级联设计模式,所以必须具备可级联扩展的驱动电路做辉光管、LED、NeonLamps的控制。
在这里该模块采用了经典的74HC595作为数据层驱动器件,并在模块左右两端引出了串入串出接口,可级联并无限扩展。
四、RGB LED显示器件
在辉光管底部,该模块安装了一个5050的RGB全彩LED,可通过通讯控制,使其显示各种色彩。
五、Neon Lamps氖灯
为了满足各种应用的需要,在每个辉光管的右侧,安装了两个氖灯,可独立控制每一个氖灯的开和关,实现冒号或者小数点的显示应用。
系统图如下:

先看电路板,如同我其他作品的一贯风格:深蓝色PCB板、沉金工艺……
所有器件选型均是为了保证模块尽量的紧凑,但却不失功能上的完备。


整个模块分为上下两层电路板,每块电路板上的元器件位于同一侧,两块电路板通过一个4Pin的插针相连接,见下图:




白色陶瓷管座位于顶层电路板的上方,陶瓷管座是电子管的完美搭配,通体纯白色,绝缘,一致性好,并且可靠耐用。
在陶瓷管座的右侧有两个3mm直径的氖灯,氖灯的位置也经过精心设计,当两块模块组合在一起的时候,氖灯恰好位于两只辉光管的正中间位置。
请看下图:

底部电路板的背面无任何元器件,但用镀金文字标注了安全提示。
并且所有焊点也都经过了特殊处理,焊点圆滑光亮,见下图:

底部电路板上主要排列的是DC-DC升压电路(输出直流170V高压)以及LDO降压电路(输出直流5V)。
顶部电路板上主要排列的是RGB LED的驱动电路以及QS30-1辉光管的驱动电路。
所有芯片及元器件紧凑的排列在两块电路板上,当两块电路板扣在一起后,所有器件均位于两电路板内侧,既保证了美观,又保证了安全。

最值得一提的是这两块激光切割的亚克力面板。在此前发给aGuegu测试的时候,还没有这两块面板,就是靠PCB本身来用作外壳,后来发现这样我们在接触模块的时候很容易触碰到电路板上的焊点。因为有170V高压,并不十分安全。所以后来使用进口透明亚克力板材料,经过激光切割加工,为该模块配备了完美的上下面板。
进口的3mm透明亚克力材料加上激光切割工艺,无论从效果上还是精度上,都与模块完美搭配。

固定电路板与亚克力面板的螺丝也经过精心挑选和设计,采用的是M3不锈钢内六角螺丝。
并且在亚克力面板和PCB电路板之间采用了1mm厚的尼龙垫片支撑。



关键词: QS30-1     Nixie     Module     辉光     显示    

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